JP2563291B2 - アダプティブアンテナ装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ［発明の目的］ （産業上の利用分野） この発明は、各種の無線通信装置やレーダ装置に用い
られて、電波受信に際しその所望波方向に対するレスポ
ンスを一定に保ったまま不要波を抑圧するアダプティブ
アンテナ装置に関する。

（従来の技術） アダプティブアンテナ装置とは、アレイアンテナの各
素子に受信される信号の振幅と位相とを電波環境に応じ
てそれぞれ所要に制御してサイドローブレベルを変化さ
せ、もって空間的に不要波を抑圧するアンテナ装置であ
る。

こうしたアンテナ装置の構成法および上記受信信号の
振幅と位相を制御するためのアルゴリズムは種々ある
が、いずれであれ、上記の如く不要波を抑圧するための
原理とは次のようなものである。

すなわち、不要波とは所望波方向に向けられた主ビー
ムのサイドローブで受信されるものであるから、随時の
受信信号に基づいてその不要波と同一のレベルのレスポ
ンスをもつように補助ビームを形成し、この形成した補
助ビームの受信信号によって該主ビーム中の（正確には
このサイドローブ中の）不要波をキャンセルするのであ
る。これは、サイドローブキャンセラの原理と同様であ
るが、サイドローブキャンセラが通常、主ビームを形成
するための主アンテナと補助ビームを形成するための補
助アンテナとの２種のアンテナをもつのに対して、この
アダプティブアンテナ装置では、主ビームを形成するア
ンテナ素子の全部、または一部を用いて上記補助ビーム
を形成するようにしている。

ところで、補助ビームは一般に所望波方向にもレスポ
ンスをもつことから、主ビームで受信される不要波をこ
の補助ビームによってキャンセルする際には、所望波も
一部キャンセルされることになる。これを防ぐには、常
に所望波方向にレスポンスをもたない補助ビームを形成
すればよい。これには種々の方法があるが、比較的容易
には、複数のペア素子による差ビームを形成し、それら
の受信信号の振幅と位相を制御した後これを合成して補
助ビームを形成する方法がある。こうした構成を有する
アダプティブアンテナ装置の一例を第５図に示す。

すなわちこのアンテナ装置は、同第５図に示すよう
に、アンテナ素子1₁〜1_nからなるアレイアンテナ１と、
該アレイアンテナ１の各素子1₁〜1_nに各別に接続されて
これら素子の受信信号の位相を目標方位に応じて所要に
移相する移相器２（2₁〜2_n）と、これら移相された受信
信号を加算合成する加算器３とを有して構成される主ビ
ーム形成回路に対し、上記アレイアンテナ１の互いに隣
り合う素子をペア素子としてこれらペア素子各々の上記
移相器２にて移相された後の受信信号を抽出してその信
号差を求める減算器５（5₁〜5_m）と、これら差信号につ
いて各別にその振幅および位相を重み付け制御する複素
ウェイト６（6₁〜6_m）と、これら重み付けされた差信号
を加算合成して補助ビームを形成する加算器７とを有す
る補助ビーム形成回路を更に具え、減算器４を通じて、
上記主ビームからこうして形成される補助ビーム分を差
し引くことで、上述した不要波のみのキャンセルを実現
している。

因みに、上記減算器５の出力、すなわち上記ペア素子
の差信号をe_i1（θ）とすると、これは次式のように表
わされることが知られている。

e_i1（θ）＝exp（jkx_i sinθ） −exp｛jk（x_i−ｄ）sinθ｝ ＝2jexp｛jk（x_i−d/2）sinθ｝ sin｛ｋ（d/2）sinθ｝ …（１） ただしx_i;アレイアンテナ１の中心からｉ番目の素子
までの距離 θ；ボアサイトから測った角度 k;波数 d;素子間隔 i;1,2,…,N N;素子数 （発明が解決しようとする問題点） いま、簡単のため、不要波が１波である場合を考える
と、上記形成される補助ビームは単一の差ビームとな
り、その振幅パターンおよび位相パターンは、主ビーム
に対して、それぞれ第６図および第７図に示す態様とな
る。すなわち、第６図において、第６図（ａ）は主ビー
ムの振幅パターン、第６図（ｂ）は補助ビームの振幅パ
ターンをそれぞれ示し、また第７図において、第７図
（ａ）は主ビームの位相パターン、第７図（ｂ）は補助
ビームの位相パターンをそれぞれ示す。

ここで、例えばこれら第６図および第７図の矢印の方
向から不要波が入射したとすると、これをキャンセルす
るには、上記主ビームと補助ビームとの不要波方向の振
幅および位相をそろえた上で、上述の減算器４を通じた
キャンセルを実行する必要がある。そこで同第５図に示
したアンテナ装置では、上記第６図（ｂ）および第７図
（ｂ）に示されるようにいずれも角度（θ）依存性のあ
るこれら振幅および位相といった値を制御するために上
記の複素ウェイト６を設けているのであるが、そもそも
これら複素ウェイトとは、実際には可変アッテネータと
移相器を組み合わせたり、ハイブリッドと移相器を組み
合せるなどの複雑な構成が強いられるものであり、コス
ト的にも高価なものとならざるを得なかった。

この発明は、こうした補助ビームの形成をより簡単な
回路で実現できるようにすることを目的とするものであ
る。

［発明の構成］ （問題点を解決するための手段） この発明では、前記アレイアンテナの各素子のうち、
位相中心が前記主ビーム形成回路にて形成される主ビー
ムの位相中心に一致する素子同士を前記補助ビーム形成
のためのペア素子として選定してその各差ビームを求
め、これら求めた差ビームに基づいて前記不要波成分に
対応した補助ビームを形成するようにする。前記主ビー
ムからは、こうして形成される補助ビーム分を差し引い
てその不要波成分の抑圧を行なう。

（作用） 上記態様でのペア素子選定により、その差ビームに対
応した信号の依存する角度はπ/2（90゜）と−π/2（−
90゜）との２種の角度のみに制約されるようになる。し
たがって、同差信号の位相を例えば−π/2だけ固定的に
移相せしめるようにすることで、以後はその符号と振幅
のみの制御で上記所望とする補助ビームを得ることがで
きるようになる。

（実施例） 第１図に、この発明にかかるアダプティブアンテナ装
置の一実施例を示す。

この実施例装置において、アレイアンテナ１、移相器
２、および加算器３からなる主ビーム形成回路自体は、
先の第５図に示した従来の装置と同様のものを想定す
る。ただし、この第１図に示すアレイアンテナ１はいわ
ゆる周期構造を有しており、また上記主ビーム形成回路
にて形成される主ビームの位相中心は同第１図にψ_０で
示す如くこのアレイアンテナ１のアレイ中心に位置する
とする。

さてこの実施例装置では、こうした条件下にあるアレ
イアンテナ１の各素子1₁〜1_n（ｎは偶数であるとする）
について、互いの位相中心が上記主ビームの位相中心ψ
_０に一致する素子11と素子1n、素子12と素子１（ｎ−
１）、・・・アレイ中心の最寄りに位置するとする素子
1qと素子１（ｑ＋１）をそれぞれ前述したペア素子に選
定して補助ビームを形成する。

すなわち該実施例装置の補助ビーム形成回路におい
て、８（8₁−8_m）は、こうした態様で選定した各ペア素
子の受信信号についてその移相器２（2₁〜2_n）による移
相処理後の信号を各別に抽出して各ペア毎の差信号を求
める減算器であり、この場合これら各差信号は、これを
e_i0（θ）とすると、 e_i0（θ）＝exp（jkx_i sinθ） −exp（−jkx_i sinθ） ＝2j sin（kx_i sinθ） …（２） ただしx_i;アレイアンテナ１の中心からｉ番目の素子
までの距離 θ；ボアサイトから測った角度 k;波数 i;1,2,…,N N;素子数 となる。この（２）式は、前述のように不要波が１波で
ある場合を想定すると、その補助ビームの振幅パターン
および位相パターンは、主ビームの振幅パターンおよび
移相パターンに対して、それぞれ第２図および第３図に
示す態様となることを意味する。すなわち、第２図
（ａ）に示す主ビームの振幅パターンに対してこの場合
の補助ビームの振幅パターンは同第２図（ｂ）に示す態
様となり、また第３図（ａ）に示す主ビームの移相パタ
ーンに対してこの場合の補助ビームの移相パターンは同
第３図（ｂ）に示す態様となる。先の第６図および第７
図と対比して明らかなように、この場合の補助ビームの
位相パターンは、π/2（90゜）および−π/2（−90゜）
の２種の角度にのみ依存し、それ以外の角度に対しては
何らの依存性ももたない。

同補助ビーム形成回路における９（9₁〜9_m）は、こう
して得られる差信号（差ビーム）を固定的に−90゜だけ
移相する固定移相器である。すなわち、こうした移相器
９の挿入によって、上記減算器８を通じて得られた差信
号は、角度（θ）には全く依存しないものとなる。この
ことは換言すれば、上記第２図および第３図に示した
主、補助各ビームにそれぞれ同図に矢印で示すような不
要波が入射されたとしても、この補助ビーム（固定移相
器９の出力）の不要波方向の振幅およびその正負の符号
さえ所要に制御すれば、これを有効にキャンセルできる
ことを意味する。

10（10₁〜10_m）は、固定移相器９による移相出力に対
して、こうした正負の符号を含めた振幅制御を実行する
振幅ウェイトである。この振幅ウェイト10は、各該当す
る入力（この場合固定移相器９の該当する出力）と主ビ
ーム出力（減算器４の出力）との相関をとってこの相関
値を当該入力に乗算（重み付け）する周知の回路によっ
て構成することができる。

こうして重み付けされた各差信号を加算器７にて合成
した所望とする補助ビームを得、また減算器４を通じて
この得た補助ビーム成分を主ビームから差し引くことに
よって同主ビームのサイドローブ領域に含まれる不要波
成分を抑圧することは先の第５図に示した装置と同様で
ある。

このように、この実施例装置によれば、複雑な構成が
強いられる前述した複素ウェイト等は何ら用いることな
く所望とする補助ビームを形成することができる。

しかも、第５図に示したような従来装置に比較して該
実施例装置の場合、位相が一定の角度範囲では、空間的
に幅の広い不要波、およびこれと等価ではあるがいわゆ
る広帯域な不要波に対してもこの抑圧能力に優れたもの
となる。

また、こうしたアダプティブアンテナ装置の場合、一
般にはＮ素子のアレイアンテナについて（Ｎ−１）の自
由度をもって補助ビームの形成に用いるペア素子の選定
を行なうようにしている（例えば第５図に示した装置な
どでは最大（Ｎ−１）個のペア素子が選定され、またこ
の場合減算器５や複素ウェイト６もそれぞれ（Ｎ−１）
個必要となる）が、同実施例装置の場合には、このペア
素子の選定にかかる自由度は最大でも（N/2）となる。
このことは、補助ビーム形成回路を構成する制御素子
（上記の例では減算器８、固定移相器９、振幅ウェイト
10など）の数も、この実施例装置によるペア素子選定手
法によって大幅に削減することができたことを意味す
る。

なお、上記アレイアンテナを構成するアンテナの種類
およびそのアレイ形態、さらには上記選定するペア素子
数等については任意である。要は、補助ビームの形成に
用いる任意組のペア素子として、その位相中心が主ビー
ムの位相中心に一致するアンテナ素子同士を選定するよ
うにすればよい。

ところで、上記実施例では、第５図に示した従来装置
と対比する意味で、各アンテナ素子に受信される高周波
信号をそのまま用いてビーム形成を行なう場合について
例示したが、他に例えば、各アンテナ素子に受信機を設
けて、上記高周波信号を中間周波信号に変換した後ビー
ム形成を行なうようにしたり、あるいはこれら受信機の
後段に更にA/D変換器を設けて、上記変換された中間周
波信号を更にディジタル信号に変換した後これらディジ
タル信号を用いてビーム形成を行なうようにしたりして
もよい。特に、後者の如く各受信信号をディジタル信号
に変換してビーム形成を行なう場合には、これを分岐し
ても電力的には何らのロスも生じないことから、各々独
立に不要波抑圧の可能なマルチビームを形成するように
することも容易である。こうした場合の構成例を第４図
に示す。

すなわち第４図において、20（20₁〜20_n）は受信機、
30（30₁〜30_n）は該受信機20により中間周波信号に変換
された受信信号をディジタル信号に変換するA/D変換器
をそれぞれ示し、また50₁〜50_lは、これら変換されたデ
ィジタル受信信号を各別に受入して各別のビーム（すな
わちマルチビーム）を形成する複数の（ｌ個の）ビーム
形成回路を示す。これらビーム形成回路50₁〜50_lの各々
は、第１図に示した主、補助ビーム形成回路と基本的に
同じものであるが、その各構成要素（前述した各種移相
器の各種加・減算器等）はディジタル仕様となっている
とともに、特に主ビーム形成回路についてはその開口を
加算器31および32によって２分割してハイブリッド回路
40に加えることによりレーダ装置に好適な図示のような
モノパルスビームを形成するようにしている。なお、同
ビーム形成回路50₁〜50_lについては、図示の構成と同等
の論理的処理構造をもたせたコンピュータを用いてこれ
を実現することも勿論可能である。

［発明の効果］ 以上説明したように、この発明によれば、所望波方向
のレスポンスを一定としてその不要波成分のみを抑圧す
るアダプティブアンテナ装置を非常に簡単な構成をもっ
て実現することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明にかかるアダプティブアンテナ装置の
一実施例を示すブロック図、第２図は該実施例装置によ
って得られる主ビームおよび補助ビームの振幅パターン
を示す線図、第３図は同実施例装置によって得られる主
ビームおよび補助ビームの位相パターンを示す線図、第
４図はこの発明にかかるアダプティブアンテナ装置の他
の実施例を示すブロック図、第５図は従来のアダプティ
ブアンテナ装置の一例を示すブロック図、第６図は該従
来装置によって得られる主ビームおよび補助ビームの振
幅パターンを示す線図、第７図は同従来装置によって得
られる主ビームおよび補助ビームの位相パターンを示す
線図である。 １（1₁〜1_n）……アレイアンテナ、２（2₁〜2_n）……移
相器、3,7,31,32……加算器、4,8（8₁〜8_m）……減算
器、９（9₁〜9_m）……固定移相器、10（10₁〜10_m）……
振幅ウェイト、20（20₁〜20_n）……受信機、30（30₁〜3
0_n）……A/D変換器、40……ハイブリッド回路。

Claims (3)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】アレイアンテナの各素子に受信された信号
   をそれぞれ所要に移相した後にこれを合成して主ビーム
   を形成する主ビーム形成回路と、前記アレイアンテナの
   各素子のうちの任意組のペア素子における前記受信され
   た信号の移相後の信号の各差信号に基づき所定の補助ビ
   ームを形成する補助ビーム形成回路とを有し、前記主ビ
   ーム成分から前記補助ビーム成分を除去し、前記主ビー
   ムのサイドローブ領域における不要波成分を抑圧するア
   ダプティブアンテナ装置において、 前記ペア素子は、前記主ビーム方向に垂直な平面上にお
   ける該主ビームの最大振幅位置での位相に対する位相変
   化量が等しくかつ位相変化方向が異なる前記各素子同士
   に設定することを特徴とするアダプティブアンテナ装
   置。
2. 【請求項２】前記補助ビーム形成回路は、 前記設定されたペア素子からの信号の差を計算する減算
   手段と、 前記減算手段からの出力信号の位相をπ/2あるいは−π
   /2変化させる移相手段と、 前記移相手段からの出力信号と前記主ビーム形成回路か
   らの出力信号との相関結果に基づき、該移相手段からの
   出力信号に対して正負の符号を含めた振幅の重み付けを
   行う重み付け手段と を前記設定されたペア素子毎に設け、 前記重み付け手段のそれぞれの出力信号を加算する加算
   手段と を具備したことを特徴とする特許請求の範囲第（１）項
   記載のアダプティブアンテナ装置。
3. 【請求項３】前記各素子毎に、 前記受信された信号を少なくとも中間周波数の信号に変
   換する受信手段と、 該受信手段からの出力をディジタル信号に変換する変換
   手段と を設け、 前記主ビーム形成回路は、 前記変換手段毎のディジタル信号を所要に移相した信号
   に基づいて所望の複数の主ビームを形成する複数のディ
   ジタル主ビーム形成回路であり、 前記補助ビーム形成回路は、 前記変換手段毎のディジタル信号を所要に移相した信号
   に基づいて前記所望の複数の主ビーム毎に対応した複数
   の補助ビームをそれぞれ形成する複数のディジタル補助
   ビーム形成回路である ことを特徴とする特許請求の範囲第（１）項または第
   （２）項記載のアダプティブアンテナ装置。